Устройство цифрового фотоаппарата

Знать устройство фотоаппарата нужно при выборе, если придется учитывать характеристики аппаратов с одинаковым набором компонентов. Да и просто знание устройства всегда пригодится для нормальной эксплуатации фотоаппарата. Устройство пленочных и цифровых фотокамер различается, как видно из названия, применяемым фотоэлементом: пленки или цифровой матрицы.

Так как мы рассматриваем цифровые камеры, то рассмотрим различие именно этих моделей. А цифровые фотоаппараты по устройству разделяются на три большие группы: зеркальные, беззеркальные и компактные.

Зеркальные фотокамеры лучше по характеристикам и, соответственно, больше стоят. Их основное отличие в конструкции состоит в том, что в них применяется зеркало в устройстве видоискателя и это повышает характеристики самого фотоаппарата. А за этим и другие компоненты в зеркальных камерах применяются с высокими техническими характеристиками, к тому же в них возможна смена объектива, что резко увеличивает возможности зеркальных фотокамер.

Поэтому, в общем, качество зеркалок выше, чем компактов.

Устройство зеркальной камеры

Сравнимы по качеству получаемых снимков с зеркалками новый вид камер, которые называются беззеркальные. Они так же имеют сменные объективы, но не имеют в конструкции зеркала. Этим и отличаются от зеркальных фотоаппаратов. Именно применение сменных объективов и разных по размеру матриц позволяет беззеркалкам конкурировать с зеркальными камерами.

Более подробно о принципе работы цифрового фотоаппарата можно прочитать в статье: как работает фотокамера

Остальные компоненты одинаковы в этих фотоаппаратах и отличаются только характеристиками, и рассматриваются они более подробно в своих разделах:

Как это работает

Картинка кликабельна. Для просмотра изображения в крупном размере кликните мышкой и оно откроется в новом окне. Там Вы более подробно сможете рассмотреть устройство фотоаппарата.

На видео ниже вы сможете увидеть устройство и принцип действия фотоаппарата:

Цифровой фотоаппарат — Википедия. Что такое Цифровой фотоаппарат

Цифровой фотоаппарат — бесплёночный фотоаппарат, в котором для записи изображения вместо фотохимического используется фотоэлектрический принцип. При этом полупроводниковая фотоматрица преобразует свет в электрические сигналы, которые трансформируются в цифровые данные, сохраняемые энергонезависимым запоминающим устройством. Изображения, полученные цифровым фотоаппаратом, могут быть загружены в компьютер для обработки, передачи по вычислительным сетям или хранения, а затем просмотрены на экране монитора или отпечатаны на бумажном носителе с помощью принтера. В отличие от плёночных фотоаппаратов, цифровые не требуют лабораторной обработки фотоматериала, и при наличии встроенного жидкокристаллического дисплея позволяют немедленно оценить результат съёмки. Кроме того, неудачные снимки могут быть сразу же удалены с карты памяти, а в некоторых моделях и отредактированы непосредственно в камере.

Подавляющее большинство выпускающихся в настоящее время фотоаппаратов — цифровые. Уже в 2005 году японскими компаниями, лидирующими на мировом рынке фототехники, было продано 64 770 000 цифровых фотоаппаратов и только 5 380 000 плёночных^[1]. Развитие технологии привело к тому, что цифровые фотоаппараты могут быть использованы также в роли видеокамеры. Такие универсальные цифровые камеры штатно встраиваются в большинство современных смартфонов и мобильных компьютеров.

Разобранный цифровой фотоаппарат «Sony Alpha ILCE-7R»

Историческая справка

Первый экспериментальный бесплёночный фотоаппарат, основанный на фотоэлектрическом преобразовании, создал в 1975 году инженер компании Eastman Kodak Стивен Сассун (англ. Steven Sasson). Применявшаяся в нём ПЗС-матрица имела разрешение 0,01 мегапикселя, а запись данных происходила на компакт-кассету

[2]. Появлению цифровых фотоаппаратов предшествовали видеофотоаппараты, представлявшие собой видеокамеру, приспособленную для аналоговой записи неподвижных изображений на видеокассету или видеодискету^[3]. Прототип первого видеофотоаппарата Sony Mavica был представлен в 1981 году. Качество изображения видеофотоаппаратов было ограничено использующимися телевизионными стандартами разложения, и кроме того аналоговый способ регистрации приводил к накоплению искажений в процессе обработки и передачи. Реальные перспективы электронная фотография получила лишь с распространением цифровых технологий. Первым цифровым фотоаппаратом потребительского уровня в 1988 году стал «Fuji DS-1P», использующий для записи съёмную карту SRAM ^[4]. В том же году Kodak создал первый цифровой зеркальный фотоаппарат «Electro-Optic Camera» на основе малоформатного фотоаппарата Canon New F-1^[5].

Дальнейшее совершенствование технических характеристик и разрешающей способности цифровых фотоаппаратов, тем не менее, не привело к вытеснению аналоговой химической фотографии. Немногочисленные модели цифровой аппаратуры очень высокой стоимости (до 40 тысяч долларов) ограниченно использовались в прикладных сферах и фотожурналистике. Смена тенденции произошла с распространением персональных компьютеров и технологии цифровой фотопечати, позволяющей получать высококачественные цветные отпечатки с файлов. Совершенствование технологии производства фотоматриц также привело к снижению цен на камеры. После этого цифровые фотоаппараты очень быстро вытеснили с рынка плёночную фототехнику, поскольку делали доступным получение удовлетворительных снимков без какого-либо обучения и специфических навыков. Дополнительную роль в этом играет возможность немедленного контроля готового изображения на встроенном во всех цифровых фотоаппаратах жидкокристаллическом дисплее. Кроме того, файлы могут быть мгновенно переданы по сети интернет и опубликованы в сетевых изданиях и социальных сетях, не требуя лабораторной обработки и сканирования.

Качество изображения

Резкость изображения, даваемого цифровым фотоаппаратом, зависит от размеров и количества элементарных фотодиодов, содержащихся на поверхности фотоматрицы, и разбивающих непрерывное изображение на дискретные пиксели. Общее количество пикселей, участвующих в регистрации изображения, считается важнейшей характеристикой цифровых фотоаппаратов, и чаще всего округляется до миллионов, называемых «мегапикселями»

[6]. Первые цифровые фотоаппараты значительно уступали аналоговым с точки зрения качества, поскольку технологии тех лет не позволяли создавать матрицы с большим количеством мелких элементов. В 1995 году разрешение в 6 мегапикселей, даваемое цифровым гибридом Canon EOS DCS 1, считалось рекордным. Информационная ёмкость фотоматериалов была недостижима для первых фотоматриц. Даже фотоаппараты миниатюрного формата превосходили цифровые по разрешающей способности и фотографической широте^[7]. Однако, уже с середины 2000-х годов наиболее продвинутые профессиональные цифровые фотоаппараты достигли уровня разрешения 15—20 мегапикселей, позволяя получать изображение сопоставимое по качеству с малоформатным негативом, сосканированным хорошим фильм-сканером. Современная аппаратура, перешагнувшая рубеж в 30 мегапикселей, в некоторых случаях обеспечивает результат, превосходящий традиционные фотоматериалы.

Это объясняется многими факторами, в числе которых практическое отсутствие светорассеяния, неизбежного даже в самых тонких фотоэмульсиях, и снижающего резкость. Кроме того, цветоделение в цифровой фотографии происходит только один раз в момент съёмки, и поэтому цифровой снимок по качеству цветопередачи сопоставим со слайдом, превосходя негативно-позитивный процесс с двукратным цветоделением при съёмке и фотопечати. Единственным параметром, недостижимым пока для цифровых фотоаппаратов на уровне фотоплёнки, является фотографическая широта. Если негативные фотоплёнки обеспечивают диапазон в 14—15 экспозиционных ступеней, то цифровая аппаратура редко преодолевает планку в 7 ступеней^[8]. По данным журнала «Digital Photography Review», матрица профессиональной камеры Nikon D3 обладает широтой в 8,6 ступеней при съёмке в стандарте JPEG и не более 12 в формате RAW^[9]. Недостаток преодолим с помощью технологии HDRi, которая пригодна только для съёмки неподвижных объектов, требуя как минимум двух экспозиций.

Устройство

Главный принцип действия цифровых фотоаппаратов практически не отличается от классических аналоговых. Основой также является светонепроницаемая камера, с одной стороны которой установлен объектив, строящий действительное изображение объектов съёмки в фокальной плоскости^[10]. Экспозиция регулируется диафрагмой объектива и , и измеряется теми же способами, что в аналоговой фотографии^[11]. Для кадрирования и фокусировки используется видоискатель. Отличие заключается в том, что вместо фотоматериала в фокальной плоскости объектива установлена полупроводниковая фотоматрица, преобразующая свет в электрические сигналы. Эти сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровые файлы, которые передаются в буферную память, а затем сохраняются на встроенном или внешнем накопителе^[12]

[13]. Чаще всего файлы снимков сохраняются на одной или двух картах энергонезависимой флеш-памяти, устанавливаемых в корпусе фотоаппарата. Исходные файлы, получаемые на выходе АЦП в формате RAW, могут быть конвертированы процессором камеры в один из общепринятых стандартов, например TIFF или JPEG, а могут сохраняться без изменений для последующей ручной конвертации на внешнем компьютере^[14].

Фотоаппарат «Nikon Coolpix 900» с поворотным объективом

Из-за отсутствия фотоматериала и необходимости его замены в цифровых фотоаппаратах не используются кассеты и лентопротяжный тракт. Основное устройство состоит из электронных компонентов, размещение которых более гибко, чем механических узлов. Благодаря этому появляется возможность более свободной компоновки, не зависящей от механических связей и других ограничений^[15]. Поэтому на заре развития бесплёночной фотоаппаратуры предпринимались многочисленные попытки создания принципиально новой эргономики, более удобной для пользователя. Однако, в конце концов общая компоновка и дизайн фотоаппарата, проверенные многими десятилетиями эксплуатации плёночной аппаратуры, оказались общепринятыми и в цифровом фотоаппаратостроении.

К цифровым фотоаппаратам также можно отнести аналоговые, оснащённые съёмным цифровым задником. Такое устройство больше характерно для среднеформатной и крупноформатной аппаратуры, позволяющей менять кассетную часть. При этом используемый аналоговый фотоаппарат ничем не отличается от такого же, оснащённого стандартной кассетой с фотоплёнкой. Однако, наибольшее распространение получили цифровые фотоаппараты неразъёмной конструкции, как наиболее удобные в эксплуатации, и не содержащие избыточных элементов плёночной аппаратуры.

Матрицы всех цифровых фотоаппаратов обладают плоской формой, как и большинство фотоматериалов. При этом используются объективы, строящие действительное изображение, расположенное на поверхности, максимально приближённой к плоскости. Однако, в 2014 году компания Sony анонсировала выпуск вогнутых матриц в форме сферической огибающей^[16]. Позднее аналогичные разработки начали Canon и Nikon. В 2017 году о создании вогнутых матриц объявила корпорация Microsoft^[17]. Такая матрица требует совершенно других объективов упрощённой конструкции, благодаря отказу от корригирования кривизны поля изображения^[18][19]. В результате при более компактных размерах оптики с меньшим количеством линз повышаются её светосила и разрешающая способность^[20]. Кроме того, за счёт более выгодных углов падения света, светочувствительность вогнутых матриц выше, чем у плоских в два раза по полю и в 1,4 раза в центре^[16].

Считывание изображения

На сегодняшний день известны несколько технологий регистрации света в цифровой аппаратуре. Все они основаны на приборах с за

Фотоаппарат — Википедия

Фотоаппара́т (фотографи́ческий аппара́т, фо́тока́мера) — устройство для регистрации неподвижных изображений (получения фотографий). Запись изображения в фотоаппарате осуществляется фотохимическим способом при воздействии света на светочувствительный фотоматериал. Получаемое таким способом скрытое изображение преобразуется в видимое при лабораторной обработке. В цифровом фотоаппарате фотофиксация происходит путём фотоэлектрического преобразования оптического изображения в электрический сигнал, цифровые данные о котором сохраняются на энергонезависимом носителе.

История

Появление первого фотоаппарата совпало с изобретением «гелиографии» Жозефом Нисефором Ньепсом в 1826 году^[1][2]. Устройство для регистрации изображения на поверхности асфальтового лака было вариантом камеры-обскуры, до этого активно использовавшейся художниками для рисования с натуры. Дальнейшее развитие технологии связано с изобретением дагеротипии Жаком Луи Дагером. Дагеротипия быстро получила распространение в качестве инструмента для портретирования, став коммерчески выгодной. Результатом стала разработка новых устройств для фотосъёмки, наиболее оригинальным из которых в 1840 году стала камера Александра Уолкотта с вогнутым зеркалом вместо объектива^[3]. Не менее революционной была цельнометаллическая «Ganzmetallkamera» немецкой компании «Фохтлендер», оснащённая светосильным объективом Петцваля^[4].

Современная копия дагеротипной камеры «Фохтлендер» 1841 года выпуска

Наиболее бурное развитие фотоаппаратостроения началось после открытия мокрого коллодионного процесса, вытеснившего неудобные и дорогие дагеротип и калотипию^[5]. Фотоаппаратура для этой технологии быстро приобрела черты привычной деревянной крупноформатной камеры с фокусировочным мехом и портретным объективом. Внедрение сухих желатиносеребряных фотопластинок с высокой светочувствительностью позволило вести съёмку с моментальными выдержками, потребовавшими специального механизма для регулировки длительности воздействия света. Таким устройством стал фотозатвор, первые конструкции которого появились в 1853 году^[6]. Изобретение Оттомаром Аншютцем скоростного шторно-щелевого затвора привело к появлению репортёрских фотоаппаратов — пресс-камер, запущенных в массовое производство фирмой «Goerz» в 1888 году^[7].

Начало выпуска желатиносеребряных фотобумаг, пригодных для проекционной печати, а также рост разрешающей способности фотоэмульсий запустили процесс миниатюризации фотоаппаратуры и появления её новых портативных разновидностей, таких как складные и дорожные камеры. Технологический прорыв осуществил в 1888 году Джордж Истмен, выпустивший первую бокс-камеру Kodak, заряженную рулонной фотоплёнкой на гибкой целлулоидной подложке^[8][9]. Изобретение положило начало любительской фотографии, избавив фотографа от необходимости проявлять фотоматериал и печатать снимки. Всё это делала компания Истмена, куда по почте отсылался фотоаппарат с отснятой плёнкой. Обратно фотолюбитель, заплатив 10 долларов, получал перезаряженную камеру, готовые негативы и контактные отпечатки с них^[10][11][12]. Одновременно с компактными появились многочисленные фотоаппараты для скрытной съёмки, в том числе встроенные в предметы одежды: галстуки, шляпы и дамские сумочки^[13].

Фотоаппарат «Kodak № 2» для рулонной фотоплёнки.
1896 год

Развитие во второй половине XIX века технологий цветной фотографии, основанных на трёхцветной теории цветоощущения Максвелла, привело к распространению специализированных устройств, позволяющих осуществлять цветоделение различными способами. Наиболее простое решение заключалось в съёмке трёх цветоделённых изображений на общую фотопластинку через три объектива, закрытых светофильтрами основных цветов^[14]. Однако, расстояние между ними неизбежно приводило к параллаксу и, как следствие, цветным контурам на изображении близких предметов. Более совершенными оказались фотоаппараты с последовательной съёмкой через один объектив на удлинённую фотопластинку с автоматическим пошаговым смещением. Наиболее известны такие фотоаппараты конструкции Адольфа Мите, одним из которых пользовался Сергей Прокудин-Горский^[15].

Камеры со сдвижной кассетой на три экспозиции годились только для съёмки неподвижных объектов и пейзажей из-за неизбежного временно́го параллакса. Всех недостатков были лишены трёхпластиночные фотоаппараты с внутренним цветоделением, позволявшие снимать в том числе движущиеся предметы через общий объектив в одну экспозицию. Изобретение автохромного процесса, и последующее распространение многослойных фотоматериалов позволили отказаться от сложной фотоаппаратуры, но тем не менее камеры с внутренним цветоделением с помощью полупрозрачных зеркал эксплуатировались в издательском бизнесе до середины 1950-х годов^[16].

Одну из ключевых ролей в совершенствовании фотоаппаратуры сыграло становление аэрофотографии, получившей бурное развитие после Первой мировой войны^[17]. Большие скорости полёта требовали коротких выдержек, вынуждая компенсировать их высокой светосилой объективов. При этом, недопустимость геометрических искажений, особенно при фотограмметрии, вынуждала разрабатывать оптику с минимальной дисторсией. Многие конструкции фотозатворов и объективов, привычные в современной фотоаппаратуре, были разработаны специально для аэрофотоаппаратов, лишь потом найдя применение в камерах общего назначения. То же касается вспомогательных механизмов: например, автоматизированная перезарядка фотоаппарата впервые использована именно для аэрофотосъёмки.

Компактные фотоаппараты

Зеркальный фотоаппарат «Nikon F», 1959 год

Рулонные фотоматериалы позволили повысить оперативность съёмки и уменьшить размеры фотоаппарата, который, благодаря складной конструкции, теперь стало можно положить в жилетный карман. Это отразилось в названиях, получивших приставку «Pocket». Огромную роль в формировании фотоаппаратуры сыграло параллельное развитие технологий кинематографа и совершенствование наиболее массовой 35-мм киноплёнки. Рост её информационной ёмкости привёл к появлению в начале 1920-х годов малоформатной фотоаппаратуры. Первыми в этом классе стали камеры «Симплекс Мульти» (1913 год, США) и «Ur Leica» (1914 год, Германия)^[18][19].

В 1925 году началось серийное производство фотоаппарата «Leica I», ставшего образцом для подражаний и родоначальником самого многочисленного класса аппаратуры, популярного вплоть до появления цифровой фотографии^[20]. В 1932 году начат выпуск главного конкурента «Лейки» — фотоаппарата «Contax» этого же формата^[11]. Почти одновременно с появлением малоформатных фотоаппаратов в 1930 году в Германии начат выпуск одноразовых фотобаллонов, упростивших съёмку с импульсным освещением, и сделавших её безопасной^[21]. Результатом стало внедрение в затворы синхроконтакта, обеспечившего автоматическую синхронизацию и съёмку с фотовспышкой на моментальных выдержках вместо ручной.

После Второй мировой войны началось распространение зеркальной фотоаппаратуры, обеспечивающей визуальный контроль глубины резкости и точную фокусировку объективов любого фокусного расстояния^[22]. Первыми в этом классе стали двухобъективные зеркальные фотоаппараты, лишённые большинства недостатков однообъективных: затемнения видоискателя и трудностей фокусировки при диафрагмировании, а также неполного отображения снимаемого кадра и вибрации из-за подвижного зеркала. Одно из главных неудобств удалось устранить с изобретением крышеобразной пентапризмы, впервые использованной в камере «Contax-S» в 1949 году, и позволившей снимать с уровня глаз, а не «от пояса»^[23].

Преимущества однообъективной схемы, такие как полное отсутствие параллакса и ограничений фокусных расстояний объективов, характерных для дальномерных фотоаппаратов, заставляли разработчиков совершенствовать конструкцию дальше. Результатом стало появление в 1959 году фотоаппарата «Nikon F» со 100 % отображением кадра и прыгающей диафрагмой^[24]. Сочетание приставного электропривода и длиннофокусных объективов, недоступных для дальномерной аппаратуры, быстро сделало этот фотоаппарат стандартом в фотожурналистике, особенно спортивной^[25]. В течение нескольких лет выпуск аналогичных фотоаппаратов был налажен большинством производителей фототехники^[26].

Автоэкспозиция и автофокус

Основные статьи:

принцип работы цифрового фотоаппарата

Цифровой фотоаппарат имеет ряд преимуществ, по сравнении с пленочным. У цифрового фотоаппарата есть небольшой экран, в котором неплохо видно, что получится на снимке. Поэтому цифровые фотоаппараты позволяют грамотно компоновать кадр, т.е. располагать объекты съемки так, как они должны выглядеть на снимке.   Экран ЖК-дисплея для неопытного фотографа, гораздо лучше, чем «глазок» зеркального фотоаппарата. В нем точно видно, что снимается, видны границы кадра, резкость и размытость объектов, распределение цветов и освещенности.   Сразу после съемки можно проконтролировать, что получилось на снимке. Как правило, в любом цифровом фотоаппарате, после «щелчка», на несколько секунд отображается результат, эту опцию можно и отключить. Еще можно просмотреть кадры на дисплее фотокамеры и убедиться, что все получилось.  Так же во многих цифровых фотоаппаратах присутствует возможность соединения фотоаппарата с телевизором, для просмотра снимков на большом экране. Неудавшиеся снимки можно удалить, и взамен сделать отличные кадры, дабы не распечатывать все подряд.  Отсутствие фотопленки – еще один большой плюс. Снять 1000 кадров на обычной аналоговой камере, в переводе на затраты означает потратить примерно 100 долларов (2–3 условные американские единицы за 36 кадров). Снять 1000 кадров цифровой камерой — не значит ничего. После пары месяцев цифровой съемки Вы начнете «щелкать» гораздо больше, возьмете за правило дублировать кадр, переснимать и изменять ракурс. Появится возможность использовать 10, 20, 50 кадров на какой-нибудь «аленький цветочек», для получения нужного цвета, размера, фокуса, ракурса и т.п.   Макросъемка – это отдельный разговор. Этот вид фотографии совершенно не доступен для пленочных «мыльниц», да и для более продвинутых аппаратов, не оснащенных специальными объективами или насадками. Как правило, все, что находится ближе метра, в лучшем случае 50 сантиметров, от объектива попадает в нерезкую зону. У цифровых же камер нормой считается наличие макрорежима, позволяющего снимать с 10–20 см., и даже с 1–5 сантиметров. У Вас появляется возможность фотографировать насекомых, цветы и многие другие мелкие предметы. Любой, даже не очень красивый на первый взгляд, предмет легко превратится в элемент макрокомпозиции.   Не нужно забывать, что снимок сделанный при помощи цифрового фотоаппарата можно отредактировать на компьютере. Повернуть, обрезать, откорректировать цвет, удалить эффект «красных глаз», наложить фильтры и т.д…  Все цифровые фотоаппараты имеют одинаковый принцип работы: пучок света проходит через линзы объектива и попадает на светочувствительную матрицу. Матрица преобразует свет в заряд(чем ярче свет, тем сильнее заряд), далее информацию с матрицы считывает процессор фотоаппарата и после обработки записывает ее на карту памяти в виде графического файла. С карточки памяти мы можем вывести фотографии на дисплей нашего фотоаппарата или переписать их на компьютер.  Все цифровые фотоаппараты можно примерно разделить на 4 класса:  ЛЮБИТЕЛЬСКИЕ – простейшая оптика и автоматические настройки. ИМИДЖЕВЫЕ – стеклянная оптика на объективе, зачастую известных производителей, автоматические и полуавтоматические настройки, более эргономичные. ПОЛУПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ – более сложные в управлении, есть много ручных настроек, возможно подключать внешнюю вспышку, есть возможность накручивать дополнительные насадки на объектив. ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ – в основном только ручные настройки, используется только сменный объектив.  Качество, которое дает цифровая камера, во многом (но не на столько, на сколько это принято считать) зависит от типа светочувствительной матрицы и ее размера. Размер измеряется в миллионах светочувствительных элементов, или в мегапикселах. Чем больше мегапикселов, тем больше деталей содержит изображение и тем большего размера можно получить конечный отпечаток. Примерно ориентироваться можно на следующие цифры – одномегапиксельные камеры дают картинку, на которую без слез можно смотреть лишь на карточке 10х15, да и ту лучше спрятать в альбом. Снимок, сделанный трехмегапиксельной камерой можно увеличить до формата 20х30 и повесить на стенку. Шестимегапиксельная камера – это уже 30х40 см.  Матрицы в фотоаппаратах можно встретить двух основных типов, CMOS и CCD. На заре цифровой фотографии большинство производителей отказались от CMOS-матриц из-за чрезвычайно высокого уровня шума. Большинство, но только не Canon. Которая довела результат, получаемый с таких матриц, до едва мыслимых на сегодняшний день пределов совершенства. Аналогичные успехи были достигнуты и в области CCD-матриц. Принципиальное отличие этих двух типов матриц заключается в более дешевом производстве CMOS-матриц и их меньшем энергопотреблении. Знатоки любят порассуждать о «шумности» матрицы в том или ином фотоаппарате. Цифровой шум, проявляющийся в виде точек синего или красного цвета на фотографиях, сделанных при слабом освещении – явление действительно не очень приятное. Однако зависит он не только от самой матрицы, но и от алгоритмов обработки изображения, реализованных в электронике фотоаппарата. На матрице и жидкокристаллическом дисплее также могут встречаться неработающие элементы – «битые» пикселы. Обычно они маскируются математической обработкой, однако те, которые появились уже после выпуска фотоаппарата производителем, видны на снимке. «Битые» пикселы на дисплее никак не влияют на конечное изображение. Разрешение матрицы сегодня зачастую уже не является главным ограничивающим качество фактором, особенно в сегменте дешевых камер. Гоняясь за количеством мегапикселов (ведь покупатель смотрит в первую очередь именно на это), производители увеличивают их число непропорционально возможностям объектива. У которого тоже есть своя предельная разрешающая способность. Поэтому любительские и профессиональные аппараты, использующие хорошую оптику, никогда не будут дешевыми.  Оптический зум – еще одна важная характеристика объектива. Обычно ее величину выражают как отношение максимального фокусного расстояния к минимальному, в кратах. Оптический зум позволяет зрительно приближать или удалять объекты в кадре, снимая одним объективом, например, и панораму, и крупный план.  Иногда производители также стараются затуманить голову потребителя так называемым «цифровым зумом». Это не что иное, как простое вырезание и растягивание на полный размер центральной части кадра, которое всегда происходит с потерей качества изображения. Вы и сами можете сделать какой угодно «цифровой зум» в любой программе редактирования изображений.  Объектив один из важнейших элементов в цифровом фотоаппарате, не получится хорошей фотографии, если мы используем простейший объектив, даже если в нашем фотоаппарате установлена матрица с высоким значением мега пикселей. Важным значением объектива является – Светосила. Светосила объектива – это способность объектива пропускать свет. Чем лучше светосила – тем лучше будет объектив пропускать свет на матрицу. Светосила зависит от размера входного отверстия объектива и от фокусного расстояния, а так же, конечно, и от того, из какого материала сделаны линзы объектива(ED, L)  Фокусное расстояние объектива это расстояние от центра объектива до светочувствительной матрицы. Ф. Расстояние измеряется в мм и пишется на оправе объектива в двух значениях (min – max). Светосила также пишется на оправе объектива в двух значениях – при min Ф.Расстоянии (лучше) и при max Ф.Расстоянии (хуже)  Минимальным фокусным расстоянием снимают близкие объекты (фотографии с широким углом захвата изображения).  Максимальным Ф. Расстоянием снимают далекие объекты (приближая их)  На оправе объектива пишется: название фирмы производителя объектива, оптический zoom в кратности, фокусное расстояние в мм (min и max), светосила в двух значениях – при min Ф.Расстоянии и при максимальном.    Экспозиция – соотношение выдержки и диафрагмы. Автоматическая (настройку делает сам фотоаппарат), полуавтоматическая (мы настраиваем одно из двух значений, а второе значение за нас настраивает фотоаппарат), ручная(мы сами своими ручками настраиваем выдержку и диафрагму).    Выдержка – это скорость срабатывания затвора над матрицей. Она измеряется в секундах и в долях секунд. Выдержка может быть длинной или короткой. Длинной выдержкой снимают неподвижные слабоосвещенные объекты, а короткой выдержкой снимают быстродвижущиеся объекты. Почитать еще про фотоаппараты… Просмотреть еще популярные страницы нашего сайта… Послушать онлайн радио… Почитать про обучение мастеров по ремонту мобильных телефонов… Отправить бесплатно смску любимым и родным…

Что такое термопара? — Определение, принцип работы, конструкция, преимущества и недостатки

Определение: Термопара — это устройство для измерения температуры. Он используется для измерения температуры в одной конкретной точке. Другими словами, это тип датчика, который используется для измерения температуры в виде электрического тока или ЭДС.

Термопара состоит из двух проволок из разных металлов, сваренных на концах. Сваренная часть создавала стык, где обычно измеряли температуру.Изменение температуры провода вызывает появление напряжения.

Принцип работы термопары

Принцип работы термопары зависит от трех эффектов.

Обратный эффект — Обратный эффект возникает между двумя разными металлами. Когда тепло подводится к любому из металлов, электроны начинают переходить от горячего металла к холодному. Таким образом, в цепи возникает постоянный ток.

Короче говоря, — это явление, при котором разница температур между двумя разными металлами вызывает разность потенциалов между ними .Эффект Зее-Бека производит небольшие напряжения на один градус температуры.

Эффект Пельтье — Эффект Пельтье является обратным эффекту Зеебека. Эффект Пельтье утверждает, что разница температур может быть создана между любыми двумя разными проводниками путем приложения разности потенциалов между ними.

Эффект Томпсона — Эффект Томпсона утверждает, что , когда два разнородных металла соединяются вместе, и если они создают два соединения, тогда напряжение индуцирует всю длину проводника из-за температурного градиента .Температурный градиент — это физический термин, который показывает направление и скорость изменения температуры в определенном месте.

Конструкция термопары

Термопара состоит из двух разнородных металлов. Эти металлы свариваются в месте соединения. Это соединение считается точкой измерения. Точки соединения подразделяются на три типа.

1. Незаземленный переход — В незаземленном переходе проводники полностью изолированы от защитной оболочки .Используется для работ с высоким давлением. Основное преимущество использования такого типа перехода заключается в том, что он снижает влияние паразитного магнитного поля.
2. Заземленное соединение — В таком типе соединения металл и защитная оболочка свариваются друг с другом. Заземленный переход используется для измерения температуры в агрессивной среде. Этот переход обеспечивает устойчивость к шуму.
3. Открытое соединение — Такой тип соединения используется там, где требуется быстрое срабатывание.Открытый спай используется для измерения температуры газа.

Материал, из которого изготовлена ​​термопара, зависит от диапазона измерения температуры.

Работа термопары

Схема термопары показана на рисунке ниже. Схема состоит из двух разнородных металлов. Эти металлы соединены вместе таким образом, что создают два соединения. Металлы прикрепляются к стыку посредством сварки.

Пусть P и Q — два спая термопар.T ₁ и T ₂ — температуры на стыках. Поскольку температуры спаев отличаются друг от друга, в цепи генерируется ЭДС.

Если температура на стыке становится одинаковой, в цепи генерируется равная и противоположная ЭДС, и через нее протекает нулевой ток. Если температуры перехода становятся неравными, в цепи возникает разность потенциалов. Величина индукции ЭДС в цепи зависит от типа материала, из которого изготовлена ​​термопара.Полный ток, протекающий по цепи, измеряется измерительными приборами.

ЭДС, наводимая в цепи термопары, определяется уравнением где Δθ — разница температур между горячим спаем термопары и эталонным спаем термопары.
а, б — константы

Измерение выхода термопары

Выходная ЭДС, полученная от термопар, может быть измерена следующими методами.

1. Мультиметр — это более простой метод измерения выходной ЭДС термопары. Мультиметр подключается к холодным спаям термопары . Прогиб стрелки мультиметра равен току, протекающему через счетчик.
2. Потенциометр — Выход термопары также можно измерить с помощью потенциометра постоянного тока.
3. Усилитель с устройствами вывода — Выходной сигнал, получаемый от термопар, усиливается через усилитель и затем подается на регистрирующий или индикаторный прибор.

Преимущества термопары

Ниже приведены преимущества термопар.

1. Термопара дешевле, чем другие приборы для измерения температуры.
2. Термопара имеет быстрое время отклика.
3. Имеет широкий температурный диапазон.

Недостатки термопар

1. Термопара имеет низкую точность.
2. Повторная калибровка термопары затруднена.

Никелевый сплав, сплав платина / родий, сплав вольфрама / рения, хромель-золото, сплав железа — это названия сплавов, используемых для изготовления термопары.

Рассвет первой цифровой камеры

Технология исчезает. Он либо преуспевает и становится повсеместным, либо терпит неудачу. Например, было время, когда сети и мультимедиа были компьютерными модными словечками. Теперь они таковы, как работают компьютеры. С другой стороны, когда в последний раз вы думали об использовании считывателя штрих-кода CueCat для сканирования рекламы? Кроме того, есть вещи, у которых есть время и которые исчезают, например, пейджеры. Трудно сказать, к какой категории относятся цифровые фотоаппараты.Они поглощаются нашими телефонами и исчезают как отдельная категория для большинства потребителей. Но задумывались ли вы о первой цифровой камере? Это не та история, о которой вы, вероятно, догадались.

Первая цифровая камера, которую я когда-либо имел, была Sony с дискетой. Конечно, это было первое, правда? Оказывается, нет. Было несколько очень ранних попыток, в которых действительно не было технологий, чтобы заставить их работать. Лаборатория реактивного движения использовала аналоговую электронную визуализацию еще в 1961 году (они проявляли пленку на Луне, но определенно нуждались в лучшем способе).В 1972 году инженер TI даже запатентовал базовую схему электронной камеры, но она не была строго цифровой. Ни одно из них не принесло практических результатов, особенно в отношении цифровых технологий. Eastman Kodak потребовалось создать портативную цифровую камеру, хотя они и не были первыми, кто ввел эту технологию в коммерческую эксплуатацию.

Kodak 1975

Стивен Сассон, работавший в Kodak, получил от Fairchild ранний датчик изображения CCD в 1974 году. Цена на него, между прочим, составляла 965 долларов, когда они были представлены годом ранее.У Kodak был интересный пост в блоге о камере после того, как в 2007 году компания Sasson была занесена в Зал славы бытовой электроники, хотя, похоже, ее больше нет. К счастью, вы все еще можете прочитать его в Интернет-архиве (источник неподвижных изображений устройства Kodak в этом сообщении взят с заархивированного веб-сайта Kodak).

Точно так же, как сумка-телефон не очень похож на мобильный телефон, 8-фунтовая камера Sasson не очень похожа на сегодняшнюю цифровую наведи и снимай — вы можете хорошо это увидеть на видео ниже.В коробке с объективом от кинокамеры Super 8, 16 никель-кадмиевыми батареями и кассетным магнитофоном находилось около полдюжины печатных плат, в том числе аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для цифрового вольтметра. Даже тогда для записи одного из 30 изображений на кассету требовалось 23 секунды (хотя ограничение в 30, по-видимому, было произвольным, чтобы имитировать количество снимков на рулоне пленки, которое обычно составляло 24 или 36).

Даже при этом разрешение камеры составляло 100 × 100 4-битных пикселей в оттенках серого.Playback использовал Motorola EXORciser для отображения изображения на экране телевизора — оба устройства весили более 8 фунтов и были явно непереносными. Камера не предназначалась для практического использования, но фактически была исследовательским проектом. Сассон, конечно, был не одинок, и он быстро признает других членов команды. Есть даже патент на технологию.

Коммерческий успех

Первая настоящая портативная цифровая камера, которая записывала изображения в виде компьютеризированного файла, была создана в 1988 году.Fuji DS-1P 1988 года, который записывал на карту памяти SRAM емкостью 2 МБ с резервным питанием, на которой хранилось от 5 до 10 фотографий. Как и камера Kodak двенадцатью годами ранее, Fuji никогда не продавалась.

Logitech Fotoman от Rama CC-BY-SA 3.0

Первой цифровой камерой, проданной на коммерческой основе, была, вероятно, MegaVision Tessera в 1987 году, но информации о ней мало, кроме того, что она была дорогой (более 50 000 долларов) и была подключена к компьютеру. Первая коммерческая портативная цифровая камера была продана в Японии в конце 1989 года.DS-1X от Fuji был усовершенствованным DS-1P и также продавался как Toshiba IMC-100.

Первая коммерчески доступная портативная цифровая камера появилась в Соединенных Штатах в конце 1990 года. Dycam Model 1 не продавалась по цене 1000 долларов с черно-белым изображением с низким разрешением. Со временем устройство превратилось в Logitech Fotoman (на фото справа). Kodak также выпустила несколько ранних цифровых зеркальных фотокамер, хотя они были не очень узнаваемы.

Если задуматься, нужно было объединить множество технологий, чтобы сделать первую камеру Kodak практичной.Датчик изображения был очевидной проблемой, но вам нужно было решить проблему хранения, емкости аккумулятора и возможности просматривать, публиковать и печатать изображения. Флэш-память, улучшенная технология аккумуляторов, ПК, домашние сети с высокой пропускной способностью и цветные настольные принтеры были практически научной фантастикой 1970-х годов.

Ирония

Цифровые фотоаппараты превосходят пленочные фотоаппараты с 2003 года. В 2004 году компания Kodak объявила, что они больше не будут продавать пленочные фотоаппараты на большинстве рынков. К 2012 году они подали заявление о банкротстве и были вынуждены существенно реструктурировать.

Распространено мнение, что Kodak сильно пострадала из-за того, что не предвидела революцию цифровых фотоаппаратов. Однако, согласно Harvard Business Review, это немного упрощено. Настоящая проблема заключалась в том, что Kodak не могла отказаться от своего традиционного бизнеса. Когда цифровая технология начала набирать обороты, они увидели в ней способ побудить людей печатать больше изображений, а не способ, который в конечном итоге заменит большинство печатных изображений.

В любом случае, вы должны почувствовать, что здесь была какая-то упущенная возможность. Что касается моих первоначальных размышлений, я думаю, что решил, что автономная цифровая камера явно находится на стороне успеха, когда исчезает. Но он исчезает — по крайней мере, с потребительского рынка. В то время как сама камера исчезает, датчик изображения внутри просто переносится на телефон, устройство, которое потребляет множество других устройств для многих людей. По-прежнему существует периферийный рынок автономных GPS-устройств, но ничего подобного не было. Медиа-плееры такие же. Эти устройства даже сокращают продажи традиционных ПК с появлением нового поколения, которое часто называют мобильным.Цифровые фотоаппараты не исчезнут полностью, поскольку зеркальные камеры по-прежнему являются золотым стандартом для серьезной фотографии.

Я думаю, что здесь следует извлечь двоякий урок: во-первых, когда вы сталкиваетесь с новой технологией, вы должны представить себе, что она будет делать помимо вашей существующей технологии. Не воспринимайте цифровые изображения как еще один способ печати. Представьте это как новую среду. Но другой урок почти противоположен. Обязательно подумайте, как это может вписаться в существующую технологию — даже неочевидную.

Конечно, в 1975 году мало кто мог предсказать, что практически каждый будет ходить с подключенным к сети компьютером в кармане. Но к 2000 году, когда Sharp представила первый телефон с камерой, вы могли совершить такой логический скачок, если бы не слишком отвлекались на размышления о своем историческом профильном бизнесе или технологиях.

У цифровых фотоаппаратов довольно долгая история. Цифровые камеры появились раньше, чем у Kodak, но они не были портативными и использовались в системах, которые не предполагали, что рынок цифровых камер будет впереди.Есть очень интересный сайт с чрезвычайно подробной хронологией событий, начиная с романа 1760 года, в котором — вымышленно — персонажи использовали зеркало, которое лечило в темноте, чтобы показать изображение последнего, что оно отражало. В списке представлены различные достижения в фотографии вплоть до современной цифровой камеры.

Использование портативной цифровой камеры для обнаружения катаракты

1. Введение

Катаракта — это разновидность глазного заболевания [1]; это помутнение хрусталика глаза, которое влияет на зрение.Катаракта внутри зрачка имеет беловатый цвет. Три класса катаракты: незрелые, зрелые и сверхзрелые, которые различаются по степени серьезности. При незрелой катаракте внутри зрачка появляется беловатый цвет, но в меньшей степени, чем при зрелой или гиперзрелой катаракте. Обычно состояние еще не тяжелое. Сверхзрелая катаракта имеет беловатый цвет внутри зрачка и может привести к поломке хрусталика глаза, если не провести операцию. Это состояние очень опасно. На Рисунке 1 показаны примеры серьезных и несерьезных состояний.

В Докладе о состоянии здравоохранения в мире, опубликованном в 2001 г., подсчитано, что 20 миллионов человек с двусторонней слепотой (т. Е. Со зрением менее 3/60 в лучшем глазу), чья слепота была вызвана возрастной катарактой [2]. К 2020 году это число увеличится до 40 миллионов. Увеличение возраста связано с увеличением распространенности катаракты, но в большинстве развивающихся стран катаракта часто возникает в более раннем возрасте. Одной из развивающихся стран с наибольшим количеством людей с катарактой является Индонезия.В Индонезии около 6 миллионов человек страдают катарактой, но в Индонезии всего около 1160 офтальмологов на население более 200 миллионов человек (один на каждые 350 000 человек). К тому же офтальмологи распределены неравномерно. Многие офтальмологи находятся в столице, но многие люди не имеют доступа к офтальмологам из-за географических условий.

Обычно офтальмологи используют различное оборудование, например щелевую лампу или офтальмоскоп, чтобы определить тип, помутнение и расположение катаракты, а также отличить ее от других глазных заболеваний, симптомы которых похожи на симптомы катаракты.Обычно оба оборудования используют источник света для определения состояния хрусталика глаза пациента. Используя такое оборудование, непрозрачность линз можно оценить, наблюдая за шириной края радужной оболочки в мутной линзе. Если удаленное расположение и большая тень означает незрелую катаракту, если это небольшая тень и близко к зрачку, возникает зрелая катаракта. Ожидается, что при ранней диагностике катаракта можно будет контролировать, будет ли катаракта продолжаться или вызовет осложнения, которые необходимо лечить, чтобы предотвратить слепоту; Однако использование этого оборудования имеет некоторые ограничения, включая высокую цену и необходимость специальной подготовки.Это будет проблемой для некоторых развивающихся стран, в которых имеется ограниченное количество офтальмологов и медицинских учреждений, таких как, например, Индонезия, Непал и Вьетнам. Чтобы решить эту проблему, мы разработали метод обнаружения катаракты на основе методов цифровой обработки изображений. Эти методы поддерживают использование недорогого и простого в использовании оборудования, такого как цифровая камера. Мы решили использовать цифровую камеру в качестве основного оборудования со ссылкой на принцип работы камеры с щелевой лампой и офтальмоскопа, в котором это оборудование использует свет для проверки состояния хрусталика глаза, поэтому мы приняли использование щелевой лампы. лампа для камеры или офтальмоскопа с фонариком на линзах цифровых фотоаппаратов для обозначения состояния.Эти два типа оборудования показаны на рисунке 2.

Рисунок 1.

Пример изображений глаза

В нашем методе мы извлекали всю информацию о катаракте только из области зрачка, потому что вся информация о катаракте поступает только из хрусталика. Это основано на том факте, что помутнение как важный признак катаракты возникает в хрусталике. Однако при использовании компактной цифровой камеры мы обнаружили такие проблемы, как недостаточное качество изображения и неконтролируемое освещение. Например, если мы используем значение интенсивности для скрининга катаракты, т.е.е. более высокая интенсивность соответствует тяжелому состоянию; он не будет работать для изображения глаза с катарактой, сделанного при слабом освещении, как показано на рисунке 3. Похоже, что изображение глаза несерьезного состояния имеет среднюю интенсивность около 155 внутри зрачка, в то время как изображение глаза серьезного состояния имеет только среднюю интенсивность около 55 внутри зрачка. Чтобы разработать надежные методы скрининга катаракты, мы предложили использовать анализ зеркального отражения в качестве основного метода скрининга катаракты, потому что зеркальное отражение всегда ярче, чем окружающая область, и не зависит от условий освещения.Мы также рассматривали информацию о текстуре как вспомогательный метод.

В этой главе обсуждаются пошаговые инструкции по использованию цифровых фотоаппаратов в качестве основного оборудования для обнаружения катаракты, а также поясняются методы обработки изображений для анализа цифровых изображений, создаваемых цифровыми фотоаппаратами.

Рисунок 2.

Обследование с использованием (а) щелевой лампы (б) нашей системы

Рисунок 3.

Пример фотографий при неконтролируемом освещении

2.Анализ обработки изображений

2.1. Определение зрачка

Как обсуждалось в разделе 1, мы извлекли всю информацию внутри зрачка, включая зеркальное отражение и внешний вид текстуры, потому что вся информация о катаракте берется только из области зрачка. Зрачок глаза — это просто отверстие в радужной оболочке, через которое можно смотреть в глаз. Он кажется черным из-за темноты внутри [3] [4]. На основании этих определений можно сделать вывод, что цвет зрачка универсален; это не зависит от этнической принадлежности, хотя цвет радужной оболочки глаза различен для разных национальностей, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4.

Цвет зрачка не зависит от этнической принадлежности

Зрачок расширяется в темноте, но уже на свету. В узком виде диаметр составляет от 3 до 4 миллиметров. В темноте оно будет сначала таким же, но приблизится к максимальному расстоянию для широкого зрачка от 5 до 8 мм в зависимости от возраста человека [5]. На рисунке 5 даны некоторые определения размера зрачка.

Рисунок 5.

Определения зрачка

Размер зрачка всегда изменяется, а размер радужной оболочки фиксирован, поэтому, чтобы размер зрачка не зависел в различных условиях, в этой статье мы будет использовать соотношение между зрачком и радужной оболочкой как единицу измерения размера, обозначенную символом P _r и выраженную уравнением 1.

Pr = PiIi≈PIE1

2.2. Локализация зрачка

В целом алгоритм, используемый при локализации зрачка, состоит из трех этапов. Перед выполнением этих шагов исходный размер изображения изменился на 50%. Это сделано для упрощения операций обработки изображений.

1. Этап маскирования, а именно процесс разделения изображений лиц на основе цвета кожи. Как это делается с помощью компонента яркости и Cb и Cr для формирования лицевой стороны бокса на основе цвета кожи, как показано на рисунке 6.

Рис. 6.

Процесс маскирования лица

1. Область глаза Шаг, когда получалось изображение лица в рамке, а затем снималась область глаза. Вырезание области глаз основано на нормальной форме лица, которое составляет 1/3 длины человеческого лица [6], как показано на рисунке 7.

Рисунок 7.

Оценка области глаз

1. Шаг учеников, на этом этапе используют лабораторные цветовые характеристики для определения изображения ученика.Затем, используя круг фиксированного радиуса Хафа, определите центральную точку круга, которая является центральной точкой кандидатов в зрачки, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8.

Зрачок круга

2.3. Анализ зеркального отражения

В основе нашего метода лежит анализ зеркального отражения. Мы разрабатываем наш алгоритм исходя из принципов работы офтальмоскопа и щелевой лампы. Офтальмоскоп — это инструмент, который позволяет врачу исследовать внутреннюю часть глаза человека.Инструмент имеет угловое зеркало, различные линзы и источник света. Щелевая лампа — это инструмент, который позволяет врачу исследовать весь глаз при большом увеличении и позволяет измерять глубину. Щелевая лампа фокусирует яркий свет в глаза. Оба оборудования одинаково подходят для диагностики катаракты.

Рисунок 9 описывает принцип работы метода зеркального отражения. Свет попадает на переднюю поверхность линзы и вызывает отражение, называемое фронтальным отражением.Но на самом деле свет попадает также и на заднюю часть линзы. При несерьезном состоянии линза не имеет беловатого цвета, поэтому она снова будет отражаться, что называется обратным отражением. Особенно в серьезных случаях, когда линза сильно помутнела, свет больше не будет отражаться. Различные характеристики показаны на рисунке 10. На основе теоремы об отражении направление вектора нормали всегда идет к центру зрачка, поэтому, когда мы смотрим на внешний вид изображения, мы можем найти взаимосвязь между двумя отражениями. и центр ученика; они находятся в одной строке

Рисунок 9.

Модель характеристик отражения в глазу

Используя взаимосвязь между обоими отражениями, мы провели поиск, чтобы найти обратное отражение, как показано на рисунке 11. Используя координату центра и радиус фронтального отражения, мы затем искали обратное отражение путем поиска областей более высокой интенсивности рядом с передним отражением по сравнению с их непосредственно окружающими областями в линии, которая выражается уравнением 2

A = d + r-ϒ

Где A — длина поиска заднего отражения, d — это расстояние между центром зрачка и центром фронтального отражения, r — радиус зрачка и радиус заднего отражения.

Фактически, формы зеркальных отражений меняются, как показано на рисунке 12. Как показано на рисунке 12, некоторые вариации формы зеркальных отражений представляют собой круг, куб, прямоугольник и эллипс, хотя мы использовали ту же самую вспышку во время фотографирования. . Поэтому во время поиска области обратных отражений, как описано на рисунке 11, мы решили принять различные формы зеркальных отражений и провели поиск интенсивности на основе формы, которую мы приняли ранее, как показано на рисунке 13.

Рисунок 10.

Пример появления отражения

Рисунок 11.

Поиск данных области заднего отражения

Рисунок 12.

Различные формы зеркальных отражений внутри зрачка

Рисунок 13.

Отслеживание интенсивности с использованием различных форм зеркальных отражений

Мы применяем уравнение. 2, где значение определяется исходя из предположения о зеркальном отражении, как показано на рисунке 14.

Рисунок 14.

Размер, используемый для отслеживания интенсивности

Затем мы сравниваем характеристики каждой формы зеркальных отражений, чтобы дать рекомендации относительно тенденции формы зеркального отражения, которая может дать наилучшие результаты для системы скрининга катаракты, мы применяем уравнение. 4.

На основе результата отслеживания интенсивности, показанного на рисунке 11, мы реализовали дифференциальную функцию в дискретной системе для разработки автоматического скрининга между серьезным и несерьезным состояниями на основе результата отслеживания интенсивности, выраженного уравнением 3.

D = Is-I (s-1)

Где I — интенсивность, а S — расстояние между центром фронтального отражения и следующим кругом, который будет исследован. Если во время поиска интенсивности D (S)> 0, это означает, что значение интенсивности увеличивается. В противном случае, если D (S) <0, это означает, что значение интенсивности уменьшается. Основываясь на обсуждении в предыдущем абзаце, это несерьезное состояние всегда имеет большую нарастающую интенсивность, что указывает на наличие обратного отражения, но это не означает, что серьезное состояние не имеет нарастающей интенсивности во время отслеживания интенсивности.Поскольку у нас есть вариации количества поисков интенсивности, мы определяем нормализованное количество возрастающих значений, определяемых уравнением 4.

Pn = Pn

Где P — это номера точек, которые имеют увеличивающееся значение интенсивности, а n — количество точек вдоль линия отслеживания интенсивности. Основная характеристика серьезных и несерьезных состояний зависит от наличия обратного отражения на изображении, которое проявляется увеличением интенсивности в области во время поиска интенсивности.На рисунке 15 показаны примеры результатов отслеживания интенсивности для серьезных и несерьезных.

Рисунок 15.

Анализ обратного отражения

2.4. Анализ текстуры

2.4.1. Однородность

Важным подходом к описанию области является количественная оценка содержимого текстуры. При статистическом анализе текстуры дескриптор измеряет такие свойства, как гладкость, грубость и регулярность. По сути, внутри зрачка есть два вида текстур; гладкие и грубые.Это можно рассчитать по значению однородности, выраженному в уравнении 5. Где U — значение однородности, H — гистограмма вероятности уровней интенсивности в области, а N — количество пикселей в изображении. Пусть i = 0, 1, 2,…. ,, L — 1, будет соответствующая гистограмма, где L — значение возможной интенсивности. Равномерность будет максимальной, когда все уровни серого равны [7]. Беловатый цвет внутри линзы имеет два распределения. Сначала внутри зрачка плавно распространяется беловатый цвет. На ранней стадии этот вид катаракты имеет тонкий слой беловатого цвета и постепенно покрывает всю поверхность линзы, пока слой беловатого цвета не станет толстым.Во-вторых, беловатый цвет неравномерно распространяется внутри линзы. Внутри зрачка появится грубая текстура. Почти все несерьезные состояния имеют гладкую текстуру с высоким значением однородности.

U = ∐i = 0L-1H (i) N2

Например, в области 3 x 3 и принадлежит гладкой текстуре, как показано на рисунке 16, однородность показана в расчетах ниже:

U = 992 = 1

Рисунок 16.

Пример гладкой текстуры

Другой пример, в области 3 x 3 и относится к грубой текстуре, как показано на рисунке 17, однородность показана в расчетах ниже:

Рисунок 17.

Пример грубой текстуры

U = 192 + 192 + 192 + 192 + 192 + 192 + 192 + 192 = 0,111

На рисунке 18 (а) показано изображение глаза в тяжелом состоянии с высоким значением однородности, вызванным беловатый цвет плавно распространяется внутри зрачка. На ранней стадии этот вид катаракты имеет тонкий слой беловатого цвета и постепенно покрывает всю поверхность линзы, пока слой беловатого цвета не станет толстым. На рис. 18 (б) показано изображение глаза с грубой текстурой, поскольку беловатый цвет неравномерно распространяется внутри зрачка.На рис. 18 (с) показано изображение глаза в несерьезном состоянии. Почти все несерьезные состояния имеют гладкую текстуру с высоким значением однородности.

2.4.2. Средняя интенсивность

Уравнение для измерения средней интенсивности, выраженное в уравнении 6, где m — среднее (среднее) значение интенсивности, I — возможная интенсивность, а N — количество пикселей в изображении [7]. Это будет очень простой интуицией, что глаза при катаракте имеют более яркую яркость, чем нормальные глаза.

m = ∐i = 0L-1I (i) N

Рисунок 18.

Пример внешнего вида текстуры

Например, в области 3×3, как показано на рисунке 19, средняя интенсивность показана в расчетах ниже:

м = 3 + 3 + 2 + 1 + 2 + 5 + 7 + 1 + 49 = 3,11111

Рис. 19.

Пример средней интенсивности

Беловатый цвет внутри зрачка имеет возрастающую интенсивность. На рис. 20 показано нормальное изображение глаза и изображение глаза с катарактой. Похоже, что изображение глаза с катарактой имеет более высокую интенсивность, чем изображение обычного глаза. Предполагая, что серьезное состояние имеет более высокую интенсивность, чем легкое, мы различаем оба состояния.

Рис. 20.

Разница в интенсивности между нормальной и катарактой

3. Диагностика по классификации

Для построения системы мы использовали Matlab R2007B с инструментарием обработки изображений. Кроме того, для создания классификатора для классификации серьезных и несерьезных состояний мы используем набор инструментов SVM, разработанный Кану [3]. Чтобы сделать классификацию для скрининга катаракты, нам нужны два типа данных: данные обучения и данные тестирования. Данные обучения, используемые для обучения системы распознаванию характеристик серьезного состояния и несерьезного состояния, чтобы система могла автоматически определять порог для различения двух состояний.Данные тестирования, используемые для оценки производительности системы, относятся к характеристикам, полученным в данных обучения.

Для тестирования производительности нашей системы мы используем несколько параметров. Первый — это истинно положительная ставка (TPR). TPR определяет классификатор или производительность диагностического теста при правильной классификации положительных экземпляров среди всех положительных образцов, доступных во время теста. Второй — FPR (ложноположительный показатель). FPR, с другой стороны, определяет, сколько неправильных положительных результатов происходит среди всех отрицательных образцов, доступных во время теста.

Значения критериев для получения параметров TPR и FPR описаны на рисунке 21.

Рисунок 21.

Параметр для измерения производительности

Для оценки общей производительности системы мы используем методы перекрестной проверки, в которых мы проводили оценку несколько раз, пока все данные были оценены .. Таким образом, все изображения, полученные с помощью различных типов камер, сгруппированы в две группы. Первая группа — это изображения, показывающие серьезные состояния, а вторая группа — изображения, которые показывают несерьезные состояния.Мы провели несколько тестов, взяв 90% данных в качестве данных обучения и 10% данных в качестве данных тестирования. Данные менялись каждый раз, пока, наконец, все данные не использовались как данные обучения и данные тестирования. На рисунке 22 показаны сводные данные о производительности нашего алгоритма. Результат показывает, что текущий метод имеет более высокую производительность, чем другой метод.

Рис. 22.

Сравнение производительности для каждого метода

4. Практическая система скрининга и сбор данных

Как описано в подразделе 2.3, в основе нашего метода лежит анализ зеркального отражения. Ссылаясь на теорему об отражении, свет попадает на фронтальную поверхность линзы и вызывает отражение, называемое фронтальным отражением. Однако свет также попадает на заднюю сторону линзы. При несерьезном состоянии линза не имеет беловатого цвета, поэтому она снова будет отражаться, что называется обратным отражением. Особенно в серьезных случаях, когда линза сильно помутнела, свет больше не будет отражаться.Чтобы исследовать наличие фронтального отражения и заднего отражения внутри линзы, а также получить минимальное расстояние между двумя отражениями, которое может наблюдаться нашим алгоритмом, мы провели моделирование. Обратимся к экспериментам, наш алгоритм может наблюдать наличие двух отражений с минимальным отношением между расстоянием и диафрагмой около 0,125. Это важное значение, потому что, если наш алгоритм не сможет исследовать наличие двух отражений, возникнут проблемы.Во-первых, у пациента действительно тяжелое состояние. Во-вторых, это вызвано неправильным положением камеры и пациента во время фотографирования.

Что касается этих проблем, мы должны убедиться, что помещаем камеру и пациента в соответствующее положение. Поэтому очень важно моделировать положение угла. В нашем моделировании мы предполагаем, что в камеру подключен свет. Цели:

1. Получение оптимального угла между камерой и объективом.

2. Получение оптимального размера зрачка для получения подходящего расстояния между двумя отражениями.

Линза эллипсоида двояковыпуклая. Обычно он составляет около 10 мм в диаметре и имеет осевую длину около 4 мм [5]. Радужная оболочка — это цветной диск внутри глаза диаметром около 12 мм [5]. На рис. 23 показаны форма и размер линзы, зрачка и радужной оболочки в нашей модели.

Рисунок 23.

Типичная форма и размер зрачка

В этой части есть три условия.Во-первых, это состояние, при котором отражение не происходит внутри линзы. Во-вторых, это состояние, при котором возникает только фронтальное отражение, которое можно наблюдать внутри линзы. Третье — подходящее условие, при котором возникают фронтальное отражение и обратное отражение, которые могут наблюдаться в плоскости изображения. На рисунках 24-26 показано каждое условие соответственно.

Во время симуляции мы меняем положение камеры с прикрепленным светом в зависимости от угла () между камерой и объективом. Начинается с угла 1 ^o до угла 180 ^o .На рисунке 24 показано, что свет не может достичь линзы, потому что свет попадает на поверхность радужной оболочки; следовательно, в линзе нет отражения.

Рисунок 24.

Состояние, при котором не происходит отражения

Рисунок 25 показывает, что свет попадает на переднюю поверхность линзы, поэтому отражение происходит и наблюдается. Однако, когда свет попадает на заднюю сторону линзы, происходит отражение, но его нельзя наблюдать в плоскости изображения. Следовательно, в этом состоянии в плоскости изображения наблюдается только фронтальное отражение.На рис. 26 показаны соответствующие условия, при которых оба отражения возникают и наблюдаются в плоскости изображения. Такой параметр будет полезен для различения серьезных и несерьезных состояний.

Рисунок 25.

Состояние, при котором возникает только фронтальное отражение и наблюдается в плоскости изображения

Рисунок 26.

Подходящее состояние, при котором оба отражения возникают и наблюдаются в плоскости изображения

В реальных условиях, Как уже обсуждалось в разделе 1, предполагается, что наша система будет использоваться всеми людьми во всех местах, поэтому оборудование, которое будет использоваться в нашей системе, также должно быть простым, как показано на рисунке 28.Краткое описание функций оборудования приведено в следующем параграфе.

1. Упор для подбородка — это оборудование, позволяющее пациенту наклониться вперед и положить его или ее на опору для подбородка, а лоб упереться в перекладину. Мы используем простую подставку для подбородка, созданную вручную с помощью доски, которую кладут на что-то, что может заставить его стоять вертикально. Основная цель — поставить пациенту подбородок так, чтобы пациенты чувствовали себя комфортно при фотографировании. С другой стороны, использование подставки для подбородка позволит пользователю получить изображение правого глаза во время фотографирования, потому что пациент не двигает головой, что приведет к движению глаз пациента.Здесь следует подчеркнуть, что этот инструмент не является абсолютно необходимым в нашей системе, если пользователи могут делать фотографии, которые создают соответствующее входное изображение, и пациент чувствует себя комфортно, не двигая головой, так что положение глаз в состоянии постоянного, тогда в использовании этих инструментов нет необходимости.

2. Штатив — Штативы используются как при фотосъемке, так и при съемке движущихся объектов, чтобы предотвратить движение камеры. Основная цель использования штатива в нашей системе — упростить получение фотографий хорошего качества, поскольку камера будет находиться в фиксированном положении и не двигаться, что предотвращает размытие.Другая причина — получить более точное угловое положение между камерой и пациентом, потому что они повлияют на наличие зеркального отражения внутри зрачка, как описано в предыдущем абзаце. Здесь следует отметить, что использование штатива в нашей системе не обязательно, как и упора для подбородка. Если пользователи могут получить соответствующее входное изображение без использования штатива, это оборудование не требуется в нашей системе.

3. Цифровая камера — это самое важное оборудование в нашей системе, потому что все входные изображения снимаются с цифровой камеры.В нашей системе мы используем все типы цифровых фотоаппаратов различных производителей, таких как Canon и Nikon. Мы не учитываем такие характеристики камер, как количество пикселей, возможности масштабирования и другие возможности. Наиболее важным для нашей системы является то, что в камере есть вспышка в качестве источника света для получения зеркальных отражений, а также возможность макросъемки для получения достаточно хорошего качества при фотосъемке для зрачка области глаза. Обращаясь к рисунку 2, можно сказать, что производительность каждой камеры почти одинакова.

Рис. 27.

Характеристики системы в зависимости от типа и марки цифровой камеры

1. Масштаб — это оборудование, обеспечивающее размещение камеры под углом наведения. Мы используем что-то вроде пластиковых ковриков, на которые нанесена маркировка для измерения угла между пациентом и камерой.

2. Персональный компьютер — основная функция — это интерфейс для анализа входных изображений, которые были получены в сеансе сбора данных. Наш метод написан в форме графического пользовательского интерфейса (GUI), чтобы пользователь мог легко использовать его, просто нажимая доступные командные кнопки.Пользователям не нужно анализировать сложный результат, потому что наши методы дают результаты о состоянии пациента, которое он отнес к серьезному или несерьезному.

Рисунок 28.

В нашей системе использовалось оборудование

На рисунках 29 и 30 описана реализация сбора данных в реальных условиях.

Рисунок 29.

Конфигурация камеры, вид сбоку

Рисунок 30.

Конфигурация камеры сверху

5.Заключение

Что касается условий в развивающихся странах, где есть ограничения как для окулистов, так и для медицинских учреждений, использование простого оборудования, такого как цифровая камера, для скрининга катаракты является многообещающим и достаточным. Потому что цифровая камера мала, проста в использовании, проста в использовании и недорога. Кроме того, способ поддержки цифровой камеры хорошо помогает различать серьезные и легкие состояния; поэтому он очень полезен для определения людей, которым как можно скорее требуется операция.

Выражение признательности

Мы хотели бы поблагодарить главу и персонал офтальмологической клиники Камандака в Пурвокерто, Индонезия, студентов и сотрудников кафедры электротехники Университета Джендерала Соедирмана в Индонезии, сотрудников NAIST в Японии, всех сотрудников Лаборатории расширенного интеллекта в NAIST и члены Дома пожилых людей (CHOMEISHO) в Икома, Япония, с их разрешения и желания сделали фотографии катаракты и здоровых пациентов.